相比于传统光学成像系统,奇对称型相位板景深延拓成像系统具有更大的景深,能够校正与离焦相关的像差,可以简化成像系统复杂度,因而具有重要的研究意义和较大的应用价值。本文以奇对称型相位板景深延拓成像系统特性及其应用为主线,围绕新形式奇对称型相位板设计、奇对称型相位板成像系统成像质量的影响因素、中间编码图像解码算法以及奇对称型相位板景深延拓成像系统设计及其应用等方面展开研究。第一,提出了由两任意三次型相位板相组合的组合型相位板,其可以用于对光学成像系统的景深进行调谐。利用光线像差理论直观分析了组合型相位板对光线的调节作用。采用驻相法和菲涅尔积分法分别推导了组合型相位板的近似点扩散函数和精确光学传递函数理论表达式,得到了组合型相位板的成像系统的截止频率,进而给出了组合型相位板的焦深调节范围理论解,说明了组合型相位板的景深可调谐性。且上述组合型相位板可以是两任意奇对称型相位板相组合而成。第二,提出了一种新形式的奇对称型相位板—反正弦型相位板。采用修正的费希尔信息对反正弦型相位参数进行优化的同时,也对三次型、正弦型和正切型相位板的相位参数进行了优化。均方根误差与希尔伯特空间角的评价结果表明,所提出的反正弦型相位板在离焦传递函数一致性方面优于已有的奇对称型相位板。解码图像的均值结构相似度表明,反正弦型相位板的解码图像质量优于已提出的奇对称型相位板。在此基础上,首次分析了奇对称型相位板中高次项对其景深延拓性能的影响,结果表明高次项可以增加相位板对离焦像差的兼容性。第三,建立了奇对称型相位板成像系统成像链路中包括波长、单色像差、探测器采样、噪声以及伪影现象在内的诸多因素对其成像特性影响的理论模型。理论推导了三次型相位板点扩散函数峰值位置与波长的函数关系,说明了对系统轴向色差进行校正的必要性。首次给出了含球差、彗差、像散、场曲、畸变和离焦像差时三次型相位板景深延拓成像系统的光学传递函数理论表达式,分析结果表明,其可以兼容一定的彗差、像散、场曲和球差。利用假响应比对探测器采样进行了分析,结果表明探测器采样并不会改变景深延拓成像系统的景深延拓性能。由频率信噪比可知,奇对称型相位板景深延拓成像系统的噪声与其传递函幅值互为制约因素。从相位传递函数的角度对解码图像中的伪影现象进行了理论分析,并提出了消除伪影现象的方法。第四,针对低信噪比情况的中间编码图像,首次将图像稀疏性的先验知识引入到了对其的解码算法中。研究了基于稀疏表示的图像解码算法,与传统解码算法相比,其能够在提升解码图像质量的同时有效抑制了解码图像中的噪声放大现象。在此研究基础上,提出了基于卷积稀疏表示的图像解码算法,获得了细节信息更为丰富的解码图像,有效提升了解码图像的质量。第五,基于设计的奇对称型相位板景深延拓成像系统,提出了在不改变系统景深扩展率的前提下,通过偏移奇对称型相位板来实现成像系统景深可调谐的思想。在此基础上,首次构建了三次型相位板的偏移量与离焦距离间的关系表达式,并通过设计的景深可调谐成像系统实验验证了其正确性。第六,结合消除解码图像中伪影现象的方法,研究并设计了大景深3D成像系统。实验结果表明,该成像系统不但可以获得与原奇对称型相位板景深延拓成像系统一样的大景深图像,而且还可以获得系统带符号的离焦像差图,进一步拓展了奇对称型相位板景深延拓成像系统的实际应用范围。